碎邊剪螺旋剪刃的獨(dú)立微調(diào)方法

馬續(xù)創(chuàng)，余慧敏，雷 超，閆玉平，呂陽(yáng)陽(yáng)，高麗娜

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.西安科正環(huán)境科技有限公司，陜西 西安 710021)

0 前言

在帶鋼連續(xù)生產(chǎn)線上，圓盤(pán)剪切邊產(chǎn)生的連續(xù)廢邊常采用碎邊工藝方式進(jìn)行處理[1-3]。上世紀(jì)70年代到80年代，國(guó)內(nèi)碎邊剪剪刃主要采用單滾筒平行布置平直刀和雙滾筒傾斜布置平直刀兩種形式。單滾筒平行布置平直刀的碎邊剪剪切沖擊大，噪聲大，剪刃壽命低；采用雙滾筒傾斜布置平直刀形式碎邊剪剪切平穩(wěn)，噪聲小，剪刃壽命高，但是受齒輪傳動(dòng)間隙、鍵傳動(dòng)間隙和剪刃結(jié)構(gòu)及布置方式的影響，其剪刃側(cè)間隙無(wú)法調(diào)整到較小值，因此通常只用于厚度大于2 mm的機(jī)組[4-5]。

關(guān)于齒輪傳動(dòng)間隙，方盛年[6]對(duì)碎邊剪切機(jī)減速箱的斜齒輪旋向選擇原則和主副齒輪消隙方法進(jìn)行研究分析。關(guān)于鍵傳動(dòng)間隙，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司(中重院)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明鍵傳動(dòng)的配合間隙會(huì)造成剪刃側(cè)間隙的波動(dòng)，應(yīng)將傳動(dòng)鍵用定位銷固定。關(guān)于剪刃布置方式的缺陷，上世紀(jì)80年代末到90年代初，陳祥生、薛培、趙振彥先后對(duì)國(guó)外引進(jìn)的傾斜布置圓弧剪刃雙滾筒碎邊剪的數(shù)學(xué)模型、力學(xué)計(jì)算和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[7-9]。其中薛培還對(duì)螺旋剪刃的理論、力學(xué)性能進(jìn)行了研究，但指出當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)研制其無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，未查詢到國(guó)外應(yīng)用實(shí)例[8]。

此后，國(guó)內(nèi)對(duì)傾斜布置圓弧剪刃雙滾筒碎邊剪制造工藝研究并積累了大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在剪切結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了創(chuàng)新。佟恒瑞探討了碎邊剪刀盤(pán)加工工藝及參數(shù)計(jì)算[10]。劉潘儒研究日本三菱日立的四刃口技術(shù)，提供了一種增加有效剪刃的方法[11]。楊增益分析了碎邊剪剪切缺陷產(chǎn)生的原因，并給出了改進(jìn)措施[12]。孟憲躍將傾斜布置圓弧剪刃的雙滾筒碎邊剪引入到鋁板的碎邊剪切中[13]。冀俊杰對(duì)傾斜布置圓弧剪刃的雙滾筒碎邊剪的剪刃曲率半徑、剪切力進(jìn)行了理論分析，并在側(cè)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)中使用了主副螺母消隙機(jī)構(gòu)，還在側(cè)間隙調(diào)整模型中考慮了斜齒輪軸線竄動(dòng)的影響[14-16]。尤敏設(shè)計(jì)了一種曲柄滑塊的側(cè)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)初始標(biāo)定困難，但比蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)調(diào)整精度高[17]。

但有關(guān)螺旋剪刃碎邊剪的研究與實(shí)殘較少。2006～2007年比利時(shí)CMI M+W設(shè)計(jì)了一臺(tái)螺旋剪刃碎邊剪。2014年，中重院自主設(shè)計(jì)了螺旋剪刃碎邊剪結(jié)構(gòu)，并于2015年應(yīng)用于鞍鋼，剪切性能穩(wěn)定，噪聲小，但換刀時(shí)三對(duì)刀的側(cè)間隙難以調(diào)整一致。2016年馬鞍山恒泰重工對(duì)自主開(kāi)發(fā)螺旋剪刃的制造工藝申請(qǐng)了專利[18]。

目前已初步解決了螺旋剪刃碎邊剪的理論研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝等問(wèn)題，且該剪切技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果很好，但在刀片裝配和換刀時(shí)遇到很大的困難，限制了其推廣應(yīng)用。故如何解決該問(wèn)題，成為該發(fā)展該技術(shù)的難點(diǎn)。本文提出將刀具微動(dòng)技術(shù)和螺紋消隙技術(shù)應(yīng)用于螺旋剪刃的側(cè)間隙一致性調(diào)整的設(shè)想，并進(jìn)行了分析。

1 螺旋剪刃曲線與側(cè)間隙獨(dú)立微調(diào)難題

1.1 螺旋剪刃理論曲線

如圖1所示為某螺旋剪刃的三維圖，其圓柱底半徑R0=80 mm，其螺旋線與圓柱直母線的夾角φ=30°，導(dǎo)程h=2πR0/tanφ=870.62 mm，沿軸線長(zhǎng)度H=125 mm。

螺旋剪刃像具有特定升角的斜齒輪的一個(gè)齒，齒頂與齒廓的交線為螺旋線，如圖2所示為螺旋剪刃空間曲線，并建立如圖所示的坐標(biāo)系。

圖2 螺旋線剪刃空間曲線

圖3 螺旋剪刃展開(kāi)曲線

螺旋剪刃曲線的參數(shù)方程為

其中，左旋為“-”，右旋為“+”。

左旋螺旋剪刃曲線的向量表達(dá)式為

右旋螺旋剪刃的向量表達(dá)式為

1.2 螺旋剪刃側(cè)間隙的獨(dú)立微調(diào)整

自動(dòng)側(cè)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)對(duì)三對(duì)螺旋剪刃的側(cè)間隙同時(shí)進(jìn)行調(diào)整。而單獨(dú)調(diào)整某對(duì)螺旋剪刃的側(cè)間隙需要手動(dòng)調(diào)整。某螺旋剪刃獨(dú)立調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖4所示，下剪刃固定，上剪刃通過(guò)一對(duì)推拉螺栓被軸向調(diào)整，從而改變對(duì)應(yīng)剪刃組的側(cè)間隙。

圖4 螺旋剪刃裝配三維圖

一般以其中某對(duì)剪刃的側(cè)間隙為基準(zhǔn)，手動(dòng)調(diào)整另外兩對(duì)剪刃的側(cè)間隙。原設(shè)計(jì)采用M8粗牙螺紋的推拉螺栓軸線調(diào)整上螺旋剪刃以調(diào)整側(cè)間隙。M8粗牙螺紋的螺距是1.25 mm，也就是每旋轉(zhuǎn)一圈，剪刃沿軸向移動(dòng)1.25 mm，側(cè)間隙變化0.625 mm。而對(duì)于薄帶鋼往往需要其厚度5%～10%左右的側(cè)間隙，如0.2 mm厚的帶鋼需要0.01～0.02 mm的側(cè)間隙。要調(diào)整到該范圍內(nèi)，側(cè)間隙調(diào)整精度需要到0.01 mm，刀片軸向調(diào)整精度需要到0.02 mm，如圖5所示。M8螺紋需要旋轉(zhuǎn)的角度為5.76°。即 0.02÷1.25×360°=5.76°

圖5 上剪刃軸向目標(biāo)精度與側(cè)間隙目標(biāo)精度的幾何關(guān)系

然而這對(duì)螺栓的旋轉(zhuǎn)是非常困難的。這里假設(shè)螺栓的旋轉(zhuǎn)精度為60°，也就是說(shuō)旋轉(zhuǎn)角度α往往在0.00°～60.00°之間，假設(shè)其為正態(tài)分布。利用EXCEL工具的函數(shù)AVERAGE()、STDEV()、NORMDIST()，分別計(jì)算角度α算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和正態(tài)分布累積值如表1所示。由表1可知角度在0°～5.76°的累積概率為8.09%。

8.09%的成功概率過(guò)低，不能滿足使用要求，成為阻礙螺旋剪刃碎邊剪推廣應(yīng)用的一大難題。

表1 正態(tài)分布計(jì)算表

2 螺旋剪刃側(cè)間隙的獨(dú)立微調(diào)方法

常規(guī)的螺旋剪刃側(cè)間隙微調(diào)方法往往是斜楔法、蝸輪蝸桿法和曲柄滑塊法。斜楔法是采用斜楔、圓弧板等將一個(gè)方向的位移縮小若干倍轉(zhuǎn)換到另一個(gè)方向，如機(jī)械安裝工程中的斜墊鐵組找正技術(shù)、23輥矯直機(jī)的斜楔微調(diào)裝置。蝸輪蝸桿升降機(jī)利用其大傳動(dòng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)微調(diào)，如五輥矯直機(jī)蝸輪蝸桿升降機(jī)微調(diào)裝置和碎邊剪側(cè)間隙整體調(diào)整裝置。曲柄滑塊利用偏心軸旋轉(zhuǎn)不同角度而產(chǎn)生微小位移，如尤敏設(shè)計(jì)的新型碎邊剪側(cè)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)[17]。

但斜楔法、蝸輪蝸桿法和曲柄滑塊法等三種方法都需要設(shè)計(jì)一套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)微調(diào)的目的。對(duì)已配置一套側(cè)間隙整體調(diào)整機(jī)構(gòu)的碎邊剪大大增加其機(jī)構(gòu)負(fù)擔(dān)。故設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)單易行的側(cè)間隙獨(dú)立微調(diào)機(jī)構(gòu)顯得更為實(shí)際可行。

本文引入螺距差微動(dòng)技術(shù)和螺紋消隙技術(shù)，對(duì)原有結(jié)構(gòu)做出較小的變動(dòng)便可實(shí)現(xiàn)單對(duì)螺旋剪刃的微動(dòng)。

2.1 螺距差微動(dòng)技術(shù)

利用螺距差微動(dòng)技術(shù)，可提高刀具的調(diào)整精度[19-20],其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

具體的實(shí)施方法：固定塊1和微動(dòng)塊4內(nèi)設(shè)置螺紋，雙頭螺柱2兩端的螺紋螺距不同，分別與雙頭螺柱的兩端螺紋螺距配合。微動(dòng)塊4與微動(dòng)部件刀具5連接。使用時(shí)，通過(guò)刻度環(huán)3轉(zhuǎn)動(dòng)雙頭螺柱。因其兩端的螺距不相同，所以在固定塊和微動(dòng)塊內(nèi)旋進(jìn)和旋出的長(zhǎng)度是不相同的，螺距差由微動(dòng)塊的微動(dòng)量來(lái)補(bǔ)償，即微動(dòng)塊4移動(dòng)，從而帶動(dòng)刀具移動(dòng)。固定塊固定在基體上不動(dòng)，微動(dòng)塊4在調(diào)節(jié)過(guò)程中與基體可以相對(duì)移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)完成之后與基體鎖緊在一起即可。鎖緊就需要用到螺紋消隙技術(shù)。

圖6 微動(dòng)刀具結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 螺紋消隙技術(shù)

由于螺紋副配合間隙的存在，在剪切時(shí)刀具受軸向力作用可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，破壞調(diào)整好的剪刃側(cè)間隙。要消除螺紋副間隙，一方面應(yīng)考慮選擇更小螺紋間隙的螺紋形式，降低螺紋副本身間隙帶來(lái)的誤差；另一方面應(yīng)考慮螺紋消隙的合理方法。

螺紋聯(lián)接按螺紋的配合及其在使用上的要求，可分為三類：第一類為普通螺紋；第二類為過(guò)渡配合螺紋；第三類為傳動(dòng)螺紋[21]。普通螺紋間隙較大，過(guò)渡配合螺紋螺紋間隙較小，傳動(dòng)螺紋主要用在傳遞力的場(chǎng)合。故可采用普通螺紋的精密級(jí)或過(guò)渡配合螺紋來(lái)減小螺紋自身的間隙大小。

工程上有預(yù)緊力和相位差螺紋兩種消隙方式。預(yù)緊力消隙是傳統(tǒng)的消隙方法，其原理是通過(guò)預(yù)緊力制造相位差，使螺栓或螺桿在兩側(cè)內(nèi)螺紋的拉力下達(dá)到平衡與軸向力的雙向自鎖。其應(yīng)用十分廣泛，如周文浩介紹的工程中常用的七種預(yù)緊力消隙的結(jié)構(gòu)[22]和阮祥偉的預(yù)緊力消隙防止軋輥竄動(dòng)的案例[23]。相位差螺紋消隙方法是新方法，其原理是利用同一螺桿上具有相位差的兩段外螺紋，分別與同一內(nèi)螺紋的上螺旋面和下螺旋面產(chǎn)生正壓力、從而造成軸向力的雙向自鎖，如任鳳玲的相位差螺紋線消隙技術(shù)在調(diào)諧裝置上的應(yīng)用[24]。碎邊剪傳動(dòng)齒輪中的相位差消隙方法，與相位差螺紋消隙原理相同。兩種消隙方式都可以解決當(dāng)前上剪刃調(diào)整中出現(xiàn)的螺紋間隙。預(yù)緊力實(shí)施起來(lái)更為方便，故優(yōu)先選擇預(yù)緊力消隙方式。

2.3 螺旋剪刃側(cè)間隙獨(dú)立微調(diào)方案

根據(jù)螺距差微動(dòng)原理和預(yù)緊力消隙方法對(duì)原有機(jī)構(gòu)改造的螺旋剪刃獨(dú)立微動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖7所示。

圖7 螺旋剪刃微動(dòng)機(jī)構(gòu)方案

該機(jī)構(gòu)由上剪刃、雙頭螺栓、推螺栓、鎖緊螺、端蓋、刻度環(huán)等組成。其中推螺栓用來(lái)粗調(diào)整上剪刃軸向位置；雙頭螺栓用來(lái)精調(diào)上剪刃軸向位置；刻度環(huán)用來(lái)記錄調(diào)整角度；鎖緊螺母用于預(yù)緊力消隙，防止推螺栓松動(dòng)。端蓋與上刀軸連接在一起，固定不動(dòng)。微調(diào)上剪刃時(shí)，雙頭螺栓順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，雙頭螺栓向向右移動(dòng)1.5 mm，上剪刃相對(duì)雙頭螺栓向左移動(dòng)1.25 mm，也就是上剪刃相對(duì)端蓋相右移動(dòng)0.25 mm。假設(shè)雙頭螺栓旋轉(zhuǎn)精度為60°，那么上剪刃向右調(diào)整精度為：0.25×60°÷360°=0.417 mm，側(cè)間隙的調(diào)整精度為0.417/2=0.208 mm，如圖8所示。

圖8 上剪刃調(diào)整精度與側(cè)間隙調(diào)整精度的幾何關(guān)系

側(cè)間隙調(diào)整0.01 mm，雙頭螺栓需要調(diào)整角度為0.01×2÷0.25×360°=28.8°。查表1知調(diào)整0°～28.8°成功的概率為45.4%。故螺距差技術(shù)將調(diào)整側(cè)間隙0.01 mm的成功率由8.09%提高到也45.4%，大大地提高其成功概率。

另一方面，為減小螺紋副自身間隙，對(duì)雙頭螺栓、端蓋、上剪刃、推螺栓、鎖緊螺母的螺紋副特別要求為過(guò)渡配合。過(guò)渡配合螺紋優(yōu)先公差帶如表2所示，選擇精密使用場(chǎng)合的優(yōu)先公差帶4H/2km。

表2 過(guò)渡配合螺紋優(yōu)先公差帶

2.4 螺旋剪刃側(cè)間隙獨(dú)立微調(diào)工藝方法

在螺旋剪刃獨(dú)立微動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，使用合理的調(diào)整工藝，便可以實(shí)現(xiàn)螺旋剪刃側(cè)間隙的精確調(diào)整。

相比普通的預(yù)緊力消隙應(yīng)用場(chǎng)合，螺旋剪刃的消隙，不只要求使用時(shí)不發(fā)生松動(dòng)，還要求螺紋間隙消除過(guò)程中，盡可能小的對(duì)剪刃側(cè)間隙造成影響。

分析剪刃側(cè)間隙的影響因素。雙頭螺栓和推螺栓施加預(yù)緊力過(guò)程中一般存在螺紋副彈性變形和螺紋間隙方向改變兩種不利影響。螺紋副彈性變形量較小，是不可避免的，且可以通過(guò)定扭矩預(yù)緊的方法來(lái)控制其變形量的大小。螺紋間隙方向的改變，對(duì)剪刃側(cè)間隙的影響較大，應(yīng)通過(guò)合理的調(diào)整工藝將其避免。

為避免采用預(yù)緊力消隙技術(shù)過(guò)程中剪刃側(cè)間隙的方向發(fā)生改變，應(yīng)注意確保調(diào)整時(shí)螺紋副接觸面與工作時(shí)的螺紋副接觸面一致；若無(wú)法實(shí)現(xiàn)接觸面一致，應(yīng)使預(yù)緊力大于工作時(shí)的軸向力，確保工作狀態(tài)下有一定的預(yù)緊，避免振動(dòng)或人為導(dǎo)致的松動(dòng)。

正常工作狀態(tài)下，推螺栓應(yīng)在剪刃推力、端蓋拉力和螺母拉力下達(dá)到平衡與軸向力的雙向自鎖，如圖9a所示。雙頭螺栓應(yīng)在剪刃拉力與端蓋拉力下達(dá)到力平衡與軸向力的雙向自鎖，如圖9b所示。

圖9 推螺栓與雙頭螺栓受力狀態(tài)

為保證利用螺距差調(diào)整完側(cè)間隙后雙頭螺栓受力方向，應(yīng)合理控制調(diào)整工藝。先將側(cè)間隙調(diào)整略大于目標(biāo)值，然后向目標(biāo)值靠近。在側(cè)間隙向更小值調(diào)整過(guò)程中，雙頭螺栓對(duì)上剪刃施加拉力，該拉力與雙頭螺栓正常工作時(shí)的受力方向一致。這樣可避免雙頭螺栓受力方向發(fā)生改變引起的螺紋間隙方向改變。

調(diào)整雙頭螺栓完成后，先擰緊推螺栓，再擰緊鎖緊螺母。擰緊過(guò)程中，由于螺紋副彈性變形的影響，剪切側(cè)間隙會(huì)發(fā)生輕微變化。故應(yīng)使用力矩扳手，每次施加同樣大小的預(yù)緊力矩，以確保每次擰緊時(shí)，對(duì)側(cè)間隙產(chǎn)生的變化大小是一樣的，以便于對(duì)側(cè)間隙的修正。

3 結(jié)論

應(yīng)用螺距差微動(dòng)技術(shù)和螺紋消隙技術(shù)可將螺旋剪刃側(cè)間隙獨(dú)立調(diào)整精度0.01 mm的成功率由8.09%提高到45.4%，可大大降低螺旋剪刃側(cè)間隙一致性的調(diào)整難度，有益于螺旋剪刃碎邊剪的推廣。